Present situation and Prospects of Arsenic Removal Techniques in Potable Water

　　Xu Dawei 

　　Abstract：The harmfulness of potable water contaminated by arsenic and the importance of arsenic removal are introduced in this article. The various present methods of arsenic removal, advantages and disadvantages are emphasized. In the end, the later development tendency of arsenic removal techniques is prospected.

　　Key words：potable water; arsenic removal techniques; coagulation; adsorption; ion-exchange; prospect.

　　砷（As）是一个广泛存在并且具有准金属特性的元素，呈灰色斜方六面体结晶，有金属光泽，既不溶解于水又不溶解于酸，为非人体必需元素。砷的毒性与它的化学性质和价态有关。单质砷因不溶于水，摄入有机体后几乎不被吸收而完全排出，一般无害；有机砷（除砷化氢的衍生物外），一般毒性较弱；三价砷离子对细胞毒性最强，尤以三氧化二砷(俗称信石，砒霜等)的毒性最为剧烈，三价砷进入人体内，可与蛋白质的巯基结合形成特定的结合物，阻碍细胞的呼吸而显毒性作用，而且三价砷对线粒体呼吸作用也有明显的作用；五价砷离子毒性不强，当吸入五价砷离子时，产生中毒症状较慢，要在体内被还原转化为三价砷离子后，才发挥其毒性作用^[1]。砷也是致癌、致突变因子，对动物还有致畸作用。长期饮用高砷水，会引起花皮病或皮肤角质化等皮肤病，黑脚病，神经病，血管损伤，以及增加心脏病发病。天然水中的砷来源于农业和林业使用砷化合物药剂，还来源于冶金、化工、化学制药、制革、纺织、木材加工、玻璃、油漆颜料和陶瓷等工业废水对天然水体的污染。我国的内蒙古、新疆、台湾等地饮水中含砷量高达，严重超过我国现行饮水卫生标准，导致地方性砷中毒，饮用水除砷是防治地方性砷中毒的关键措施，所以，安全、有效、经济的饮水除砷方法的研究显得尤为重要。

　　目前，饮用水除砷措施主要可概括为混凝法、吸附法、离子交换法等。下面将一一做详细介绍：

　　1 混凝法

　　混凝法是目前在工业生产和处理生活饮用水中运用得最广泛的除砷方法，并且可以很好的使工业污水达到排放标准，使生活饮用水达到饮用标准。最常见的混凝剂是铁盐，如三氯化铁、硫酸亚铁、氯化铁；铝盐，如硫酸铝、碱 氯化铝、聚铝；还有硅酸盐、碳酸钙、煤渣(主要成分是和有骨架结构和微孔)经粉碎及高温培烧活化后做混凝剂，另外还有聚硅酸铁(PFSC)、无机铈铁(稀土基材料)等做混凝剂。研究表明，铁盐的除砷效果好于铝盐,而且对As（Ⅴ）的去除效果明显好于As（Ⅲ），所以在除砷过程中常对所处理的水进行预氧化，把三价As(Ⅲ)氧化为五价As(Ⅴ)，再进行混凝^[2]，为了提高氧化效果，有时还会加入催化剂促进氧化。袁涛等人^[3]通过正交试验，观察混凝剂成分变化、助凝剂的添加等因素对除砷效果的影响，发现当混凝剂成分分别为硫酸铁、硫酸铝、硫酸铁与硫酸铝聚合而成的复合物（质量比3：1）、硫酸铁和硅酸钠的聚台物（含量约2%）时，单纯用硫酸铁的除砷效果是最好的，在待除砷水中添加活性炭或高岭土对上混凝剂的除砷效率无明显增强作用。但采取过滤措施后．砷去除率明显提高，这说明混凝剂水解产物形成的胶体颗粒吸附有砷 ，同时在pH值较高时铁离子还会产生大量的氢氧化铁胶体，这种胶体具有较大的比表面和较高的吸附能力，能和砷酸根发生吸附共沉淀，使砷的去除率明显提高。一般认为，混凝剂投加后，能够促使溶解状态的砷向不溶的含砷反应产物转变，从而达到将砷从水中去除的目的。该过程可概括整理成以下三个方面：(1)沉淀作用，水解的金属离子与砷酸根形成沉淀；(2)共沉淀作用．在混凝剂水解—聚合一沉淀过程中．砷通过被吸附、包裹、闭合(或络合)等作用而随水解产物一起沉淀；(3)吸附作用，砷被混凝剂形成的不溶性水解产物表面所吸附。后2种机制可能更为重要，因为在饮水除砷处理中，一般pH＞5.5，该条件下不易形成沉淀。

　　混凝法方法需要大量的混凝剂，产生大量的含砷废渣无法利用，且处理困难，长期堆积则容易造成二次污染，因此该方法的应用受到一定的限制。

　　2 吸附法

　　吸附法是一种简单易行的水处理技术，一般适合于处理量大、浓度较低的水处理体系。该方法是以具有高比表面积、不溶性的固体材料作吸附剂，通过物理吸附作用、化学吸附作用或离子交换作用等机制将水中的砷污染物固定在自身的表面上，从而达到除砷的目的。主要的除砷吸附剂有活性氧化铝、活性炭、骨炭、沸石以及天然或合成的金属氧化物及其水合氧化物等。李艳红等^[4]比较了活性氧化铝、活性炭、骨炭、沸石的动态效果 ，结果发现，在条件一致的情况下，小颗粒活性氧化铝除三价砷效率可达80％，除五价砷效率达86％ ；而骨炭只有25％ 和50％ ，活性炭为25％和44％ ，沸石为10％和30％。表明活性氧化铝除砷效率明显优于其他净水剂。凌波等人^[5]对强化除砷净水剂进行了除砷试验 ，结果发现，这种以粉末活性碳和不同产地骨炭作骨架、改性后加工而成的强化净水剂，除砷容量及除砷效率均比原材料高50倍，比市售除砷材料高10倍，除砷性能专一，只去除水中的砷，不改变水中其他元素的组成和含量，对原水pH也无严格要求，可以使用简单方法再生。李曼尼等^[6]研究了微波法磷改性斜发沸石的结构及其对水中砷的去除，发现斜发沸石微波磷改性后：(1)晶胞体积收缩，相对结晶度降低， 比表面积、孔体积和微孔体积明显减小。(2)可以改变沸石骨架上原子的键合方式。(3)除砷量明显增大，去除水中砷的能力更强。改性前，矿样除砷属表面物理吸附机理，改性后，矿样除砷属阴离子交换机理。梁慧锋等人^[7]就新生态对水中三价砷去除作用进行了研究，发现新生态对As(Ⅲ)有很好的去除效果，As(Ⅲ)的去除是吸附和氧化共同作用的结果，其去除率高、作用速度快，去除效果只受pH 的影响，是非专性吸附过程，去除过程中As(Ⅲ)浓度的减少符合二级动力学方程，等温吸附过程符合Langmuir和Frundlich方程，最大吸附量分别为50.76、63.7阳离子等的加入，可以使As(Ⅲ)的去除率接近100%，和等阴离子与As(Ⅲ)发生竞争吸附，使As(Ⅲ)去除率降低。还有人用纳米二氧化钛、铝和稀土元素的金属氧化物或氢氧化物、铈铁复合材料等做吸附剂除砷。

　　    用吸附法除砷效果易受有机物、pH值、水中砷的存在形态及浓度、其它阴阳离子成分及浓度的影响，且吸附剂材料价格较贵，笔者认为可采用适当的预处理措施，如采用多级过滤后再使用吸附剂。

　　3 离子交换法

　　离子交换法也是一种有效的脱砷方法，其运用于除砷也越来越广泛。刘瑞霞等^[11]制备了一种新型离子交换纤维，该离子交换纤维对砷酸根离子具有较高的吸附容量和较快的吸附速度。胡天觉等^[12]合成制备了一种对As(III)离子高效选择性吸附的螯合离子交换树脂，用该离子交换柱脱砷，溶液脱砷率高，脱砷溶液中砷含量完全达标，而且离子交换柱用氢氧化钠（含5% 硫氢化钠）作洗脱液洗涤，可完全回收As(III)并使树脂再生循环利用。

　　由于离子交换法投资高，操作较复杂，原水中含其它盐量较高时，需对原水进行预处理，需要酸碱再生，再生废水必须经处理合格后排放，存在环境污染隐患，细菌易在床层中繁殖，且离子交换树脂会长期向纯水中渗溶有机物。

　　4 其他方法

　　其他方法如反渗透法在对生活饮用水进行除砷的实验中也取得了良好的效果，是一种有效的除砷方法，但该法还只停留在实验阶段，实际中还未得到应用。有利用电吸附技术去除水中砷，也取得了较好的效果^[13]。还有用改进的飞灰床过滤去除饮用水中的砷的方法，过滤结果令人满意。

　　另外美国Solmetex公司成功研制了一种突破性的饮用水纳米除砷技术，该技术已经在美国西南部进行了多次现场试验，并成功地展示了其处理能力和效果。而目前热门的还有生物除砷法，该法具有除砷效果好，费用低，处理后二次污染小等优点，但多用于废水除砷，而用于饮用水除砷还少见报道。等等。

　　5 展望

　　以上所述的各种方法均存在着各自的优缺点，随着水质的日益复杂，今后的除砷技术将朝着多种药剂联合使用，几种方法结合处理的研究方向发展，且需要研究出高效价廉的除砷材料以适应砷的饮水标准日趋严格的要求，同时，生物除砷法也将成为具有发展前途的处理方法。此外，我国饮用高砷水人群大多居住于农村，所以迫切需要用于家庭除砷器或适于集中供水的除砷设备的研制。我们期待着安全、高效、经济的除砷新技术、新工艺、新材料、新设备的出现